CN112731245B - 基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，该方法为：在闪电成像仪和多通道扫描辐射成像仪的重叠观测时段提取多通道扫描辐射成像仪低温像元，设为I ti ；计算以I ti 为中心的5×5邻域像元的标准差σ ti ，提取满足σ ti <1K的低温像元，设为I pi ；查找与I pi 时间和空间最接近的闪电探测器像元作为闪电探测器低温像元；去除闪电脉冲和噪声污染；对闪电探测器低温像元辐射值校正，并建立辐射值随时间的变化特征模型。本发明的监测方法能实现对静止轨道闪电探测器的辐射跟踪，检验探测器辐射响应的稳定性，以便在辐射响应发生变化时，及时对星上背景估计的阈值设置进行调整，保证仪器的探测能力。

Description

基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法
技术领域
本发明涉及闪电探测技术领域，具体来说，涉及一种基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法。
背景技术
闪电是一种大气放电现象，密集的闪电往往伴随暴雨、冰雹、狂风等灾害性天气发生。准确监测闪电信号对于掌握强对流系统中的闪电活动规律，以及实现强对流天气的预警、预报具有重要意义。星载闪电成像仪观测雷暴云中闪电发出的强烈光脉冲，根据闪电信号在时间、空间和光谱上的特征，以及瞬变的闪电信号与相对稳定的背景信号之间的图像差异，通过CCD(电荷耦合元件，Charge Coupled Device)面阵探测器，综合利用光谱滤波、空间滤波、时间滤波和背景减光等技术，获取闪电信号。闪电成像仪的探测能力与CCD面阵探测器的辐射响应特性密不可分，当探测器辐射响应发生变化时，闪电成像仪的星上动态背景估计阈值会随之改变，进而影响闪电信号提取的准确性。特别是对于工作在静止轨道上的闪电成像仪，接收的太阳辐射存在明显的日变化和年变化，使其探测器的辐射响应可能在不同时间尺度上发生变化。因此，需要有效的方法对静止轨道闪电探测器的在轨辐射响应变化进行监测。
闪电成像仪缺乏有效的星上定标光源，难以进行直接的星上辐射定标。低轨道卫星闪电成像仪在实际工作中通过地面和高空飞机的同步观测来评估探测器性能，并探索了利用深对流云作为目标跟踪物的监测方法。深对流云是指发展到对流层顶的对流云，其光谱特性类似于辐射定标所用参考白板，相对于其他定标手段，深对流云目标在可见光波段具有更高的信噪比，能够提供足够高且稳定可靠的反射率，较适合作为替代定标源。当强对流云发展到对流层顶之上时，上升气团的温度随着上升运动而降低，由于该高度水汽含量较低，此上升过程可看作干绝热过程，同时，强烈的上升运动抑制深对流云中气团与周围空气的热交换，从而导致云顶温度低于对流层顶温度。深对流云具有亮和冷的特点，并且，因大多位于对流层顶，深对流云受水汽和气溶胶的影响很小，与沙漠、冰雪等地物目标相比，所需的大气订正要小很多。这说明，据此对工作在可见光/近红外波段的闪电探测器进行辐射跟踪是一种可行的方法。
基于深对流云的不变特征，实现对静止轨道闪电探测器的辐射响应变化监测，主要面临以下问题：
1)深对流像元的识别。根据深对流目标的低温特性，传统方法通过红外亮温阈值，或将红外亮温阈值与不同红外通道、微波通道间的亮温差值结合定位深对流像元。星载闪电探测以闪电云顶光谱最强光辐射所在的777.4nm作为探测波长，探测带宽仅为1nm，无法获取像元的亮温特征。
2)不同观测条件下深对流像元辐射值的校正。辐射性能的定量分析依赖于辐射值的准确反演，而反演所得辐射值会受观测几何影响发生变化，特别是对于静止轨道观测，这种影响更加明显。
3)闪电发出的强烈光脉冲及仪器内外部噪声的存在，会对像元辐射值造成污染。
本方法的主要目标就是通过解决上述问题，实现对静止轨道闪电探测器的辐射跟踪，检验探测器辐射响应的稳定性。以便在辐射响应发生变化时，及时对星上背景估计的阈值设置进行调整，保证仪器的探测能力。
发明内容
本发明提出一种基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法。该方法利用与闪电成像仪搭载于同一静止卫星平台的多通道扫描辐射成像仪(简称为成像仪)，通过二者的时空邻近像元匹配，结合成像仪的红外通道资料，获取闪电探测器低温像元，并根据观测几何对其辐射值进行校正，通过建立闪电探测器低温像元辐射值随时间的变化特征模型，跟踪闪电探测器的辐射响应变化。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，
该方法包括以下步骤：
S1查找闪电成像仪和多通道扫描辐射成像仪的重叠观测时段；
S2在所述重叠观测时段内，提取多通道扫描辐射成像仪11μm窗区通道数据中30°S-30°N之间亮温值小于205K的像元作为低温像元，设为Iti；
S3对多通道扫描辐射成像仪的低温像元Iti，计算以Iti为中心的5×5邻域像元的标准差σti，提取满足σti<1K的低温像元，设为Ipi；
S4对应查找在相同重叠观测时段内，与多通道扫描辐射成像仪低温像元Ipi时间最接近的闪电探测器像元，从与多通道扫描辐射成像仪低温像元Ipi时间最接近的闪电探测器像元中再提取与Ipi的空间距离最近的闪电探测器像元作为匹配像元，设为Lri；
S5通过判断闪电探测器像元的均一性，去除闪电脉冲和噪声对像元辐射值的污染，得到闪电探测器低温像元；
S6根据观测几何对闪电探测器低温像元辐射值进行校正；
S7按时间序列，获取校正后的闪电探测器低温像元辐射值，作为监测闪电探测器辐射响应的特征变量，跟踪闪电探测器的辐射响应变化。
进一步地，所述步骤S5具体包括：对闪电探测器的匹配像元Lri，计算以Lri为中心的5×5邻域像元的标准差σri，提取满足σri/R(Lri)<0.04的像元，设为Lpi，其中R(Lri)为Lri的辐射值，Lpi即为闪电探测器低温像元。
进一步地，所述步骤S6对闪电探测器低温像元辐射值校正的方法为：对太阳天顶角的取值范围进行限定，再根据太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角对闪电探测器低温像元辐射值进行校正，将其归一化。
进一步地，校正后的闪电探测器低温像元辐射值为：
Figure BDA0002855911510000031
其中，R(Lpi)为校正前的辐射值，δ为日地距离校正因子，θ0为太阳天顶角，θ为观测天顶角，
Figure BDA0002855911510000032
为相对方位角，R为角度分布模型校正因子。
进一步地，所述步骤S4中匹配像元与Ipi的空间距离小于4km。
本发明的有益效果：本发明的基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法利用与闪电成像仪搭载于同一静止卫星平台的多通道扫描辐射成像仪，通过二者的时空邻近像元匹配，结合成像仪的红外通道资料，获取闪电探测器低温像元，通过建立闪电探测器低温像元辐射值随时间的变化特征模型，实现对静止轨道闪电探测器的辐射跟踪，检验探测器辐射响应的稳定性，以便在辐射响应发生变化时，及时对星上背景估计的阈值设置进行调整，保证仪器的探测能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的辐射响应变化特征图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，包括以下步骤：
S1根据闪电成像仪和成像仪的观测时次，查找二者的重叠观测时段；
S2在重叠时段内，提取成像仪11μm窗区通道数据中30°S-30°N之间亮温值小于205K的像元，即低温像元，设为Iti；
S3判断低温目标的均一性，选择尺度较大、发展较旺盛的深对流云目标，即对成像仪的低温像元Iti，计算以Iti为中心的5×5邻域像元的标准差σti，进一步提取满足σti<1K的低温像元，设为Ipi；
S4对应查找在相同重叠时段内，与成像仪低温像元Ipi时间最接近的闪电探测器像元，从时间临近像元中，再提取与Ipi的空间距离最近，且最近距离小于4km的闪电探测器像元作为匹配像元，设为Lri；
S5通过判断闪电探测器像元的均一性，去除闪电脉冲和噪声对像元辐射值的污染，考虑典型雷暴单体对应的云顶照明区域大小及噪声形态特征，对闪电探测器的匹配像元Lri，计算以Lri为中心的5×5邻域像元的标准差σri，提取满足σri/R(Lri)<0.04的像元，设为Lpi，其中R(Lri)为Lri的辐射值，Lpi即为闪电探测器低温像元；
S6为解决观测几何对像元辐射值的影响，尽可能减小角度采样引入的误差，首先对太阳天顶角的取值范围进行限定，再根据太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角对像元辐射值进行校正，将其归一化，校正后的辐射值为：
Figure BDA0002855911510000051
其中，R(Lpi)为校正前的辐射值，δ为日地距离校正因子，θ0为太阳天顶角，θ为观测天顶角，
Figure BDA0002855911510000052
为相对方位角，R为角度分布模型校正因子；
S7按时间序列，获取校正后的闪电探测器低温像元辐射值，作为监测闪电探测器辐射响应的特征变量，跟踪闪电探测器的辐射响应变化。
实施例2
以我国目前在轨的静止卫星闪电成像仪FY-4A LMI为例，从2017年3月至2020年9月各月分别选取一天的探测数据，采用实施例1所述的方法，提取闪电探测器低温像元，采用CERES角度分布模型对其辐射值进行校正，得到如图1所示的辐射响应变化特征。根据图1可以观测到闪电探测器辐射响应的波动性以及长期的变化趋势，并可对其衰减率进行定量计算。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，利用与闪电成像仪搭载于同一静止卫星平台的多通道扫描辐射成像仪，通过二者的时空邻近像元匹配，结合成像仪的红外通道资料，获取闪电探测器低温像元，通过建立低温像元辐射值随时间的变化特征模型，实现对静止轨道闪电探测器的辐射跟踪，检验探测器辐射响应的稳定性，以便在辐射响应发生变化时，及时对星上背景估计的阈值设置进行调整，保证仪器的探测能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于不变特征的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1 查找闪电成像仪和多通道扫描辐射成像仪的重叠观测时段；
S2 在所述重叠观测时段内，提取多通道扫描辐射成像仪11μm窗区通道数据中30°S-30°N之间亮温值小于205 K的像元作为低温像元，设为I ti ；
S3 对多通道扫描辐射成像仪的低温像元I ti ，计算以I ti 为中心的5×5邻域像元的标准差σ ti ，提取满足σ ti < 1 K的低温像元，设为I pi ；
S4 对应查找在相同重叠观测时段内，与多通道扫描辐射成像仪低温像元I pi 时间最接近的闪电探测器像元，从与多通道扫描辐射成像仪低温像元I pi 时间最接近的闪电探测器像元中再提取与I pi 的空间距离最近的闪电探测器像元作为匹配像元，设为L ri ；
S5 通过判断闪电探测器像元的均一性，去除闪电脉冲和噪声对像元辐射值的污染，得到闪电探测器低温像元；
S6 根据观测几何对闪电探测器低温像元辐射值进行校正；
S7 按时间序列，获取校正后的闪电探测器低温像元辐射值，作为监测闪电探测器辐射响应的特征变量，跟踪闪电探测器的辐射响应变化。
2. 根据权利要求1所述的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：对闪电探测器的匹配像元L ri ，计算以L ri 为中心的5×5邻域像元的标准差σ ri ，提取满足σ ri /R(L ri ) < 0.04的像元，设为L pi ，其中R(L ri )为L ri 的辐射值，L pi 即为闪电探测器低温像元。
3.根据权利要求1所述的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，其特征在于，所述步骤S6对闪电探测器低温像元辐射值校正的方法为：对太阳天顶角的取值范围进行限定，再根据太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角对闪电探测器低温像元辐射值进行校正，将其归一化。
4.根据权利要求3所述的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，其特征在于，校正后的闪电探测器低温像元辐射值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，R(L pi )为校正前的辐射值，δ为日地距离校正因子，θ 0为太阳天顶角，θ为观测天顶角，φ为相对方位角，R为角度分布模型校正因子。
5. 根据权利要求1所述的静止轨道闪电探测器辐射响应监测方法，其特征在于，所述步骤S4中匹配像元与I pi 的空间距离小于4 km。
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